水平定向钻导向板钻头与三牙轮钻头在土夹砂地层中导向成孔效率的探究

韩明昊

中国石油西南油气田公司川中北部采气管理处，四川遂宁 629000

我国北方大部分地区的穿越地质为土夹砂地层，导向板钻头与三牙轮钻头均适用于此地层的钻进，鉴于两种钻头的设计外观和切削原理各不相同，本文将通过一组对照试验来对比它们在导向孔钻进中的工作效率。

1 工程概况

“京石邯”输气管道复线工程从原京石邯管道涿州站出发，途经涿州市、涞水县、高碑店市、定兴县、徐水区、清苑区，到达中石化保定分输站，线路总长约103 km，管径1 219 mm，设计压力10 MPa，设计输量为62.6×108m3/a。

漕河定向钻穿越位于河北省保定市清苑区臧村镇东于庄村与徐水区大因镇小因村之间，属于第二标段设计范围。控制桩之间水平长1 069.9 m，实长1071.7m；定向钻钻孔段水平长980.0 m，实长982.3 m。定向钻穿越管段为D1 219 mm×27.5 mm、材质L555M的直缝埋弧焊钢管，设计压力为10MPa，采用三层PE常温型加强级防腐层。本穿越工程的等级为河流大型穿越工程，设计洪水频率为1%（100年一遇）。

本工程中的光缆套管为单独导向成孔，其穿越曲线参数与主管参数完全一致[1]，两者并行10 m的间距穿越，穿越地质情况一致，对于光缆套管和主管的导向孔钻进情况具有对照性。

2 工程地质

根根据现场勘察，在勘察深度范围内，将场区勘察深度内地层划分为9个主层、1个亚层，自上而下描述如下：

①粉土：黄褐色，稍密，稍湿，手捻有砂感，土质不均匀，含少量黏性土，摇振反应中等。该层主要分布于001～005、010～013号孔附近，厚度1.30～1.70 m，层底深度（自自然地坪面算起，下同） 1.40～1.70 m，层底标高（1985国家高程基准，下同）7.96～9.03 m。

②粉质黏土：黄褐色，可塑近硬塑，团粒结构，土质不均匀，含少量粉土，偶见姜石。该层在整个穿越范围内均有分布，厚度9.70～15.50 m，层底深度11.00～16.80 m，层底标高-6.83～-0.78 m。

③中砂：黄褐色，中密，湿，砂质不均匀，主要矿物成分为石英、长石，分选性一般，振动析水，含少量云母，局部夹粉土。该层主要分布于008～013号孔附近，厚度1.80～4.20 m，层底深度13.50～15.80 m，层底标高-6.14～-2.58 m。根据地勘报告为密实中砂，承载力特征值在348kPa左右。

④粉土：褐黄色，密实，湿，手捻有砂感，局部夹粉黏薄层，摇振反应中等。该层主要分布于004～009号孔附近，厚度1.10～2.50 m，层底深度15.80～17.50 m，层底标高-6.88～-4.88 m。

⑤粉质黏土：黄褐色，可塑近硬塑，团粒结构，土质不均匀，局部夹粉土薄层。该层主要分布于010～013号孔附近，厚度1.80～3.70 m，层底深度17.10～19.40 m，层底标高-9.84～-6.87 m。

⑥粉砂：黄褐色，密实，湿，主要矿物成分为石英、长石，分选性好，振动析水，含云母碎片，砂质较纯，颗粒较均，级配一般。该层在整个穿越范围内均有揭露且在001、013号孔附近未揭穿，最大揭露厚度5.60 m，最大揭露深度21.90 m，最深揭露标高-12.30 m。根据地勘报告为密实粉砂，承载力特征值在286 kPa左右。

⑦粉质黏土：黄褐色，可塑，团粒结构，土质较均匀，局部砂粒含量较高，局部夹粉土薄层。该层主要分布于008号孔附近，厚度2.40 m左右，层底深度23.80 m左右，层底标高-12.88 m左右。

⑧粉砂：褐黄色，密实，饱和，主要矿物成分为石英、长石，分选性好，振动析水，含云母碎片，砂质较纯，颗粒不均，级配较差。该层主要分布于008号孔附近，厚度2.00 m左右，层底深度25.80 m左右，层底标高-14.88 m左右。根据地勘报告为密实粉砂，承载力特征值在268 kPa左右。

⑨粉质黏土：黄褐色，可塑近硬塑，团粒结构，土质不均匀，局部夹粉土薄层。该层在002～012号孔附近均有揭露且未揭穿，最大揭露厚度（含夹层厚度，下同） 10.30 m，最大揭露深度30.00 m，最深揭露标高-20.42 m。

⑨1中砂：黄褐色，密实，饱和，主要矿物成分为石英、长石，分选性好，振动析水，含云母碎片，砂质不纯，颗粒不均，级配稍差。该层主要分布于010号孔附近，厚度2.20 m左右，层底深度27.80 m左右，层底标高-17.07 m左右。

穿越的土层随着深度的增加其承载力特征值随之增加，在定向钻深度达到12 m以上时，标准贯入试验锤击数N均大于30，属密实土层。

3 对照组设置及分析

3.1 穿越定量

光缆套管和主管的导向孔钻进施工需要控制的穿越定量见表1。

表1 导向孔钻进穿越定量

3.2 穿越变量

穿越变量为不同类型的钻头，采用全新导向板钻头进行光缆套管导向孔钻进，钻具组合情况为：导向板钻头+转换接头+6-5/8 in无磁钻铤+6-5/8 in钻杆，导向板钻头如图1（a） 所示。采用全新三牙轮钻头进行主管导向孔钻进，钻具组合情况为：三牙轮镶齿钻头+造斜短接（单弯1.75°） +6-5/8 in无磁钻铤+6-5/8 in钻杆，三牙轮镶齿钻头如图1（b）所示。

图1 导向板钻头和三牙轮镶齿钻头

通过控制定量和变量因素来保证探究试验的科学性和可靠性，在众多施工因素相同的情况下，改变钻头的类型来实现探究导向板钻头与三牙轮钻头的成孔效率。

3.3 钻头原理分析

（1）导向原理。导向板钻头可以实现自我导向修正，而三牙轮钻头通常需要带背弯的马达或造斜短接配合来实现导向，因此行业内通常认为导向板钻头的导向能力更强，特别是对于软性地层，随着导向板面积的增大，该趋势更为明显。

（2）导向效率。在软性地层中，导向板钻头导向效率由导向板的面积和倾角来决定，三牙轮钻头导向效率与牙轮和其配合的单弯马达角度（一般均为单弯1.75°）有关。导向板钻头对土体的切削面积会更大。

（3）地层的适应能力。导向板钻头主要适于软地层；三牙轮钻头中铣齿牙轮通常适用于软岩及硬土地层，镶齿牙轮适用于坚硬岩层，这是行业内对钻头适应的地层情况的普遍认知，因此本项目选用镶齿牙轮，同时也能对其在硬土地层与砂层中的钻进情况进行实践探究。

4 对照探究标准

本次对照探究试验在相关规范要求范围内进行数据对比，根据SY/T 4216.1—2017《石油天然气建设工程施工质量验收规范油气输送管道穿越工程第1部分：水平定向钻穿越》的要求[2]，对回拖管径不一致的定向钻，钻杆折角要求也不一致。本试验的光缆套管管径为168 mm，为了保证探究试验的科学对照性，此光缆孔的导向成孔要求与主管导向孔采用相同的规范标准，即D 1 016 mm以上管径要求：每根钻杆最大折角0.8°，4根钻杆累加最大折角2.2°[3]。

成孔效率从两个方面来探究：

（1） 成孔曲线优劣情况对比：以设计文件作为施工依据，以单根钻进能力和整体成孔情况为研究对象，从直线段、曲线段、角度保持与变化及穿越曲线是否平直顺滑等情况来探究。

（2） 成孔所用时间长短的比较：结果表明成孔效率在两方面均较为优越，则说明此钻头为本项目的最佳配置；若仅在一方面优越，则需要对具体情况具体分析。

5 试验结果

试验全过程真实可靠，且导向结果均符合规范的主控项目（导向孔曲线允许偏差及出土点允许偏差） 与一般项目（钻杆折角） 要求[2]。司钻操作严格按照操作规程稳步有序地进行，每一根钻杆的情况以数据的形式反映在《控向记录表》和《司钻记录表》中。

此处将上述两表中的关键数据以图的形式整合展示，光缆套管导向孔断面如图2所示，主管导向孔断面图如图3所示。从两条导向曲线成孔情况来看，直线段、曲线段和深度等数据均符合设计文件的穿越曲线要求。图左均为入土端，图右均为出土端。

图2 光缆套管导向孔断面

图3 主管导向孔断面

5.1 导向板钻头施工情况

控向到后期由于钻杆过长，钻机侧的推动力会受到钻杆周围土体摩擦力及钻杆自身挠度的影响，造斜能力会有所下降[4]，但导向板钻头相对较轻，其自我导向修正能力强，在本工程的穿越长度中未有造斜能力下降的趋势，在密实地层穿越能力及较软地层抬头能力未受到影响。

钻进过程中的角度变化灵敏且迅速，司钻在纯土层中的操作相对轻松，遇到区间分布有砂层或者软硬程度不同的土层时，角度极容易被改变，需要经过反复的推进来保持角度。例如底部直线段的多处穿越恰好位于土层与砂层的交界处，当钻头到达此位置时因地层硬度不均而被迫朝向软地层倾斜，此时需要反复利用钻头的旋转和进退来切削掉孔洞前方的砂层，并加大泥浆排量，增强动切力将砂屑带出孔洞。由于导向板钻头自身成孔孔径较大，更有利于泥浆的回流与回收。

图2的成孔情况表明：

（1） 入土端曲线段与出土端曲线段的对称性不强，其原因是这两处的返平段造斜角度保持不一致，从入土端曲线到水平段的返平可明显看出过渡区间顺滑，钻杆折角的逐步减小呈规律化的形式；而返平段到出土端曲线可看出过渡区间钻杆折角稍大，未形成一个逐步增加的趋势。

（2） 穿越底部直线段不够平直，未形成一条标高始终一致的平直线，因为角度保持不够此直线含有4段微小波动。

根据该地层钻进控制是否满足单根导向规划及控向反馈能力进行评价，结合图2的成孔情况说明了导向板钻头“变角度易，保角度难”的特点。此地层中多处存在软硬交接的情况，在底部直线段想要保持相同角度钻进，结果很容易被改变，反复调整后未完全消除变化。从底部直线段到出土端曲线段的过渡区间可以看出，对角度稍作变化后实际角度变化比预期的更大，因此导致此段曲线的顺滑程度差了一些。

5.2 三牙轮钻头施工情况

控向到后期由于钻杆过长，钻机侧的推动力会受到钻杆周围土体摩擦力及钻杆自身挠度的影响，造斜能力会有所下降，但在本工程的穿越长度中能力下降的趋势不明显。三牙轮钻头相对较重，配合其造斜短接后整体重量加大[5]，在密实地层穿越能力及较软地层抬头能力略受到影响，但均能通过人为控制来消除。不难推测出，导向的距离若继续增加，三牙轮钻头的自我导向修正能力将持续降低，在后续达到某相同穿越长度时与导向板钻头的导向能力差距会逐渐变大。

钻进过程中的角度变化容易控制，无论是遇到区间分布有砂层或者软硬程度不同的土层时，三牙轮钻头的表现总是很稳定，司钻的操作相对轻松。整个导向区间仅有在钻进到第42根钻杆时遇到地层分界面，该地层连续性差，导向过程中形成了较大钻杆斜率，因此在此处进行了人为的角度修正。

三牙轮钻头导向采用相同的泥浆体系和压力，从泥浆回流、回收和携带钻屑的性能上来看较导向板钻头钻进时稍弱一些，主要原因是成孔孔径较小，泥浆的回流空间受限。在此也可推测出，导向的距离若继续增加，采用导向板钻头成孔更有利于发挥泥浆的流动性和携带性。

图3的成孔情况表明：

（1） 入土端曲线段与出土端曲线段的对称性强，曲率半径相同且曲线圆滑，孔洞成形很好；曲线段和底部直线段的交接过渡区间匀称且角度规律性地递增或递减。

（2） 穿越底部直线段保持平直，无“忽上忽下”的情况发生。

根据该地层钻进控制是否满足单根导向规划及控向反馈能力进行评价，结合图3的成孔情况说明了三牙轮钻头角度易控的特点。和导向板钻头相比三牙轮钻头对角度的控制更加容易，在此地层结构中实现精确导向，即使地层中存在多处软硬交接，三牙轮钻头的实际角度变化容易控制。从局部的砂层钻进情况对比来看，三牙轮钻头在砂层中钻进速度更快，控向精度更高。

5.3 钻头的完好情况比较

两条导向孔施工完毕后，立即用清水将钻头表面附着的泥浆和泥土冲洗干净，仔细观察两钻头的磨损的情况。导向板钻头的导向板和钻齿无明显肉眼可见的磨损及缺陷，表面光滑、棱角分明；三牙轮钻头的牙爪、修边齿、保径齿、内排齿及牙轮本体无明显肉眼可见的磨损及缺陷，外观情况良好。

5.4 成孔耗时的比较

将两条导向孔钻进过程中每根钻杆所用时间参数整理在同一个折线图中，便于直观地获取对比信息。耗时折线对比如图4所示。

图4 导向孔耗时对比

从图4中单独看两条导向孔的耗时变化趋势，光缆套管孔在入土端直线段与曲线段过渡区间时间有所增加；在出土端曲线段到直线段过渡区间时间有明显的增加，趋势在40 min上下浮动；而在底部直线段几乎保持在低耗时的情况下波动，从而也和上述分析相互印证。主管孔在入土端曲线段和出土端曲线段耗时稍多，时间几乎控制在40 min以内，入土端直线段、底部直线段和出土端直线段耗时均低且变化平稳；其中第42根钻杆处于底部水平段且耗时为105 min，原因是人为控制的调整角度和清孔操作不具有一般代表性，在考虑折线图趋势时是可以忽略的。

对比两条折线图可发现，主管导向时各钻杆的耗时值更趋于平稳一些，光缆导向时起伏更大，说明三牙轮钻头比导向板钻头在钻进过程中的表现更稳定。

从两者的耗时总量来看，光缆导向比主管导向快82 min，虽耗时差距不大，但可以推测出导向孔钻进长度越长，导向板钻头节约的时间会越多；若导向精度按照小管径的规范要求来实施，节约下来的时间差距应该更大。

6 结论

对于地层适应能力，三牙轮钻头同样适用于土层等较软地层，且导向精度能得到保障；如遇到承载力极弱的地层，可通过给马达或造斜短接背弯增加导向板来实现，改造潜力大。导向板钻头的有效钻进面积大，速度更快；而导向板角度大且固定不可变，在软硬稍有变化的地层中导向精度的表现也各有不同，在本文探究中，导向板钻头的控向精度相比于三牙轮钻头配合造斜短接的组合形式要差一点。

经过导向板钻头和三牙轮钻头的对照组比较和分析，针对本项目的土层和砂层的穿越可得出以下结论：

（1）三牙轮钻头的导向精度比导向板钻头更优越。

（2）在导向钻进中，三牙轮钻头的各项技术参数比导向板钻头更容易控制。

（3）在导向钻进中，导向板钻头比三牙轮钻头更节约钻进时间。

（4）在密实砂层中钻进时，应优先选用三牙轮钻头。

（5）在软硬交接的地层中钻进，应优先选用三牙轮钻头。

（6）三牙轮镶齿钻头同样适用于土层地质和砂层地质的钻进。

（7）导向板钻头成孔孔径较大，更有利于泥浆的回流与回收。

7 建议

通过对导向板钻头与三牙轮钻头在实际施工中工作特性的分析，提出以下建议：

（1）若对控向精度有严格要求的大管径定向钻穿越，建议使用三牙轮钻头。

（2）若对控向精度要求不高的小管径，或对施工工期有一定要求的定向钻穿越，建议使用导向板钻头。

（3）光缆套管单独成孔的定向钻，其导向孔钻进优先选择导向板钻头。

（4）在穿越砂层或砂层较多的区域时，优先使用三牙轮钻头；若砂层密实度低，则可以给马达或造斜短接的背弯增加导向板的方式进行改造来实现导向能力的调节。

（5）使用三牙轮钻头在穿越某些较软、承载力弱的土层时，需要以给马达或造斜短接的背弯增加导向板的方式进行改造来实现导向能力的调节。

（6）若需要使用导向板钻头穿越部分风化软性岩石，可使用增加合金齿和采用锥形设计的导向板。

（7）针对穿越长度特别长的软地层导向，优先使用导向板钻头。

8 结束语

本文通过工程实例中的一组对照试验探究出导向板钻头和三牙轮钻头各自的优越性能，对应分析了适用的条件，在以后的工程中可直接将探究的结论应用到实际施工当中去。本工程的扩孔与管道回拖作业都进行的非常顺利与快速，各项技术参数与指标正常且平稳，施工期间未出现任何问题。